应用热泵系统供热是减少煤炭直接燃烧,解决环境问题和节能减排的可靠措施。CO₂自然工质热泵系统受到了普遍关注。本研究通过向CO₂中混入低GWP工质形成新的混合工质应用于热泵系统,降低系统运行压力,改善循环特性,提升系统性能,使二者优势互补。微小通道换热器具有结构紧凑、换热性能好、承压能力强、减少充灌量的优点,适用于CO₂等高压热泵空调系统。本研究首先筛选出CO₂/低GWP工质对,之后通过理论和实验方法对微小通道内CO₂/R41超临界放热及CO₂/R32冷凝换热机理进行探究,为CO₂/低GWP工质混合制冷剂热泵空调系统的设计和优化打下理论基础。对用于热泵热水器工况的CO₂/低GWP工质混合物进行了评价和筛选。当气冷器或冷凝器中出现两个窄点时,排热过程中形成很好的温度匹配,系统得到最高COP及最优排气压力。蒸发器中的温度匹配对整个系统的性能起主导作用,蒸发器合理的温度匹配可提升系统的COP以及火用效率。CO₂/R41和CO₂/R32的性能最优。其中CO₂/R41系统的放热过程发生在超临界状态,其性能稳定,GWP以及排气压力均较低;CO₂/R32系统的放热过程发生在亚临界状态,系统具有较高的COP、合适的温度滑移以及较低的排气压力。为了验证了实验台和测试方法的可靠性,测试了液态乙醇在多孔扁管微通道内的流动换热特性,其流动特性及湍流区域的换热结果与经典理论的预测值一致,为超临界和冷凝换热的测试奠定基础。层流区域的传热特性受共轭传热及入口段效应的影响,偏离常规理论的预测值。考虑共轭传热效应、入口段效应以及热物性变化的影响,在传统理论的基础上进行了修正,修正后的绝对误差在±10%以内。CO₂/R41和纯R41超临界流体在单孔圆管和多孔扁管微小通道内的放热过程中,对流换热系数随整体温度先增大后减小,在稍高于准临界温度处出现极大值。越接近临界压力,换热系数极值越高。CO₂/R41对流换热系数的极值随R41含量的增加而减小。在准临界点附近,对流换热系数随热流密度的增加而减小,热流密度的影响随通道尺度的减小逐渐凸显。摩擦压降在准临界温度附近显著增加。在低于准临界温度的区域,压力对摩擦压降的影响不明显,但在高于准临界温度的区域,摩擦压降随压力的增加而逐渐减小。两种微小通道的CO₂/R41和纯R41的超临界流动换热特性与常规通道的规律一致,推荐了适用于CO₂/R41和纯R41超临界对流换热和摩擦压降的预测模型。CO₂/R32和纯R32在单孔圆管及多孔扁管微小通道内的冷凝流动换热过程中,压降随质量流速呈线性增加趋势,而随冷凝温度的增加而降低,并且CO₂含量越低,冷凝温度的影响越明显。摩擦压降随CO₂含量的增加逐渐减小,在较高的质量流速时,不同混合比下的压降差异较大,而在低质量流速时,混合比的影响减小。通过微元段的方法建立了测试段冷凝压降模型,将两相压降关联式与压降测试结果进行比较,推荐了适用于CO₂/R32和纯R32冷凝摩擦压降的计算模型。CO₂/R32和纯R32在较高的干度和质量流速下取得较高的冷凝对流换热系数,并且换热系数随冷凝温度的增加而降低。对流换热系数随CO₂含量的增加先迅速减小,而后缓慢增加,在CO₂质量分数为55%左右时取得最小值。根据实验测试结果,筛选出纯质冷凝换热模型,对显热热阻和传质热阻对总冷凝热阻的贡献程度进行分析,提出了新的混合工质冷凝换热预测模型。